С момента запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году вся космическая отрасль поделилась на два больших направления: первые исследуют космос — по сути это технические средства фундаментальной науки, а вторые занимаются решением прикладных задач на нашей планете, к которым можно отнести и прикладную (фундаментально-прикладную) науку, вроде изучения Солнца для предсказания событий солнечной погоды, которая значимо влияет на нас. Один из главных инструментов для этого — большие, малые и сверхмалые спутники. Чем занимаются кубсаты, какие миссии они проводят и каковы перспективы их развития, рассказал инженер Центра системного проектирования Сколтеха Дмитрий Рис.
Что на борту
Каждый спутник можно условно разделить на два больших блока: модуль полезной нагрузки — то, ради чего он запускается, и модуль служебных систем — оборудование, которое позволяет полезной нагрузке выполнять свои задачи: системы электропитания, ориентации и стабилизации, терморегуляции, радиосвязи. Если спутник побольше, то на нём часто установлены ещё и двигатели для перемещения в пространстве. Такое деление можно применить ко всем спутникам, начиная от многотонных и заканчивая совсем маленькими.
Мы в Сколтехе запустили два кубсата (Skoltech B1 и Skoltech B2), размером 100*100*350 мм и массой 4,5 кг каждый. Они отрабатывают технологии межспутниковой связи на большом расстоянии. Это первый шаг к крупной группировке, которая коллективно будет выполнять разные полезные задачи.
Проблемы кубсатов
У таких сверхмалых спутников есть две главные проблемы: энерговооружённость — в них нельзя поставить оборудование, которое потребляет даже киловатт. Эту энергию просто негде взять, несмотря на то что кубсат весь обвешен солнечными батареями. В лучшем случае вы сможете отдать 20 ватт полезной нагрузке. Тут же возникает вторая проблема — куда сбросить тепло от этой полезной нагрузки. Потому что вся электроника фактически — это электронагреватель, чайник, который потребляет энергию и выделяет тепло. В небольших габаритах кубсата тепловую энергию просто некуда рассеять, а системы активной терморегуляции для спутников класса кубсат — явление редкое. Поэтому мощная полезная нагрузка может легко перегреться сама и нанести вред соседним устройствам. Вы можете подумать: «Но в космосе же холодно». Холодно там лишь в тени. Когда же спутник вылетает на солнечную сторону орбиты, ему становится совсем не холодно, скорее, даже жарко. Как показывают датчики, на высоте 500 км, где летают наши кубсаты, температура колеблется примерно от -15 градусов в тени Земли до 15-20 градусов на освещённой поверхности. И так по 16 раз в сутки. Если орбиту спутника сделать выше, то перепад температуры лишь увеличится.
Преимущества низколетящих малых спутников и кубсатов в частности
Возвращаясь к полезной нагрузке, поговорим о самой популярной — датчиках гамма-спектра. Существовал один большой проект под названием «Рой МКА», который прорабатывался много лет. Его цель была запустить несколько десятков маленьких спутников, оснастив каждый из них гамма-детектором, и распределить их равномерно вокруг Земли. Они должны были постоянно мониторить космический радиационный фон: от Солнца, взрывов сверхновых и других космологических объектов и событий. Всё это работает следующим образом: как только приходит какой-нибудь новый всплеск, который может быть интересен учёным, спутники распознают его на фоне шумов и сообщают другим кубсатам о том, что они что-то зафиксировали, возможно, «событие». Один из них, который находится ближе к наземной станции связи, агрегирует всю информацию, полученную по межспутниковой связи, вычисляет (триангуляционным методом), откуда мог прийти гамма-всплеск, и сообщает об этом на Землю, формируя стандартную информационную карточку о событии, которую через Интернет могут получить все научные коллективы мира. Задача учёных как можно быстрее навести в эту область телескопы и выяснить, что там произошло. Этим занимаются маленькие спутники, чтобы покрыть максимальную площадь вокруг Земли.
У маленьких спутников есть и другое преимущество перед большими спутниками — в оперативном получении данных. Рассмотрим задачу обнаружения лесных пожаров. Вы можете запустить один большой спутник с прекрасным телескопом на борту, который сможет увидеть отдельные деревья на Земле. Вдруг где-то в лесу возникает пожар. Он, конечно, увидит его во всех деталях, сможет даже сказать, какое конкретно дерево горит, но из-за того, что он один, информацию о пожаре он передаст в ситуационный центр лишь через пару часов, когда будет пролетать над антенной станцией на Земле. Скорее всего, к тому времени пожар охватит уже большую территорию. Кубсаты же, имея на борту существенно худшие оптические средства наблюдения, за счёт коллективной работы могут гораздо быстрее сообщить о происшествии, на которое нужно обратить внимание, даже не имея возможности дать службам детальную информацию. Это та ситуация, когда оперативность передачи информации становится важнее ее качества.
Все спутники падают
Важно отметить, что никто не ставит задачу, чтобы спутники бесконечно летали на орбите. Все они, как и МКС, как и телескоп Хаббл, падают. Если это большой аппарат, то его сводят с орбиты планово, контролируемо, чтобы он упал в океан — как, например, станция Мир. В таких аппаратах многие элементы могут не сгореть в атмосфере. В отличие от кубсатов, сгорающих полностью в атмосфере Земли где-то через 10-20 лет после запуска.
Важно понимать, что кубсаты — это самые простые и дешёвые спутники, зачастую студенческие. Поэтому срок активного существования таких устройств играет самую последнюю роль. Таким спутникам даже не всегда нужна система ориентации — они будут работать и без неё, если это допускает полезная нагрузка, как тот же гамма-детектор, и система радиосвязи. Как, с какой скоростью и куда он крутится, никого не интересует, если есть связь с Землёй, достигается положительный энергобаланс и полезная нагрузка может выполнять свою задачу.
Но не надо думать, что местоположение таких спутников неизвестно — оно отслеживается с Земли. Например, с помощью данных NORAD. Их получают оптическими методами, ведь каждый спутник (даже маленький) отражает Солнце и блестит, а значит, его видно. Если спутник невозможно обнаружить с помощью этих устройств — он слишком мал или имеет прозрачный или чёрный корпус, — возникает проблема с запусками: даже маленький шарик нужно отслеживать, понимать, где он сейчас и куда летит. Поэтому всё, что выводится на орбиту, согласуется минимум с несколькими странами, и все за этим очень тщательно следят.
Читайте также:
Как прогнозирование силы солнечной активности защитит людей, инфраструктуру и технику
Лунная пыль: идеальный материал для 3D-печати и колонизации спутника Земли
